基于FPGA的分子动力学计算系统的任务书任务书一、任务背景随着人类对材料科学和生物科学研究的不断深入，计算机模拟技术已经成为了材料科学和生物科学研究的重要手段之一。分子动力学(MolecularDynamics)作为计算机模拟领域的重要分支之一，通过模拟分子的运动、碰撞和相互作用，探究分子尺度下的物理和化学特性，从而深入了解物质的性质和行为。目前分子动力学计算的核心是利用高性能计算机，例如集群计算机、多核CPU计算机等，通过并行计算和高效算法，快速完成大规模分子动力学计算。但是，在一些实时控制、高精度计算等领域，高性能计算机存在一定的局限性，例如计算本身时间成本大、能量消耗高、体积庞大等问题。基于FPGA(FieldProgrammableGateArray)的分子动力学计算系统是一种新型的计算平台，可以利用FPGA的高速、低功耗和可编程特性，提供高效的分子动力学计算能力。该系统通过优化计算算法、并行计算等技术，能够满足实时控制、高精度计算等领域的需求。二、任务目标本次任务旨在设计、开发和测试基于FPGA的分子动力学计算系统，实现以下目标：1.设计分子动力学计算系统的基本架构，包括图像处理器、内存控制器、DMA(DirectMemoryAccess)控制器、时钟管理器等模块；2.基于硬件描述语言(例如Verilog)，实现FPGA的逻辑设计，包括内存缓存、分子动力学计算单元、并行计算模块等；3.开发软件系统，实现与FPGA计算器的通讯、数据输入输出、算法优化和并行计算等功能；4.测试系统功能和性能，包括计算速度、计算精度、功耗等方面。三、任务计划1.第1-2周：调研分子动力学计算技术和FPGA计算平台，学习硬件描述语言和软件开发技术；确定FPGA计算平台和软件开发工具，制定详细的设计方案；2.第3-4周：设计和实现FPGA的逻辑设计，包括内存缓存、分子动力学计算单元、并行计算模块等；3.第5-6周：开发软件系统，实现与FPGA计算器的通讯、数据输入输出、算法优化和并行计算等功能；4.第7-8周：整合FPGA逻辑设计和软件系统，测试系统功能和性能，包括计算速度、计算精度、功耗等方面；5.第9周：撰写任务报告，包括设计方案、实现过程、测试结果等内容。四、任务要求1.了解分子动力学计算和FPGA计算平台的基本原理和技术；具备一定的硬件描述语言和软件开发技能；2.完成基于FPGA的分子动力学计算系统的逻辑设计和平台实现，能够满足实时控制、高精度计算等领域的需求；3.开发软件系统，实现与FPGA计算器的通讯、数据输入输出、算法优化和并行计算等功能；4.测试系统功能和性能，包括计算速度、计算精度、功耗等方面；5.任务报告涵盖设计方案、实现过程、测试结果等内容；6.任务报告语言准确无误、简洁明了，结构合理、层次清晰，字数不少于1200字。五、参考资料1.StephenJ.Plimpton,FastParallelAlgorithmsforShort-RangeMolecularDynamics,JournalofComputationalPhysics,Volume117,Issue1,1995,Pages1-19.2.PaulR.Sexton,TimothyG.Mattson,Energy-efficient,high-performancemoleculardynamicssimulationsusingGPUs,JournalofComputationalChemistry,Volume33,Issue30,2012,Pages2427-2439.3.MarkHarris,ParallelPrefixSum(Scan)withCUDA,NVIDIACorporation,TechnicalReport,2007.4.PatrickJ.Graydon,ParallelPrefixSumontheGPUusingCUDA,UniversityofBritishColumbia,TechnicalReport,2007.5.高频数字电路设计基础（VerilogHDL）,电子工业出版社,2008.6.FPGA原理与应用:包括VerilogHDL+QuartusII设计实例,清华大学出版社,2010.